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炭黑是一種無定形碳，其結(jié)構(gòu)類似于無序石墨，是芳烴在高溫下不完全燃燒形成。芳烴分子在高溫下通過碳-氫鍵斷裂而解離，碳原子與芳族自由基可反應(yīng)形成層狀六邊形碳環(huán)結(jié)構(gòu)，這些碳環(huán)傾向于堆疊成3~4層的晶體結(jié)構(gòu)，層面邊緣主要由氫、自由基以及含氧官能團(tuán)組成。碳環(huán)結(jié)構(gòu)表面的酚羥基、羧基、內(nèi)酯基、酸酐基和醌基等含氧官能團(tuán)含量少，但會直接影響炭黑的表面化學(xué)性質(zhì)，這些含氧官能團(tuán)具有良好的化學(xué)反應(yīng)性，為炭黑的表面改性提供可能。

炭黑在橡膠基體中的分散性是影響其補(bǔ)強(qiáng)的關(guān)鍵因素之一，若炭黑在橡膠中實(shí)現(xiàn)良好分散，需炭黑與橡膠達(dá)到熱力學(xué)相容，從而要求炭黑與橡膠的表面能盡可能相等。但炭黑的表面能高于橡膠，因此需對炭黑表面進(jìn)行物理和化學(xué)改性，以降低炭黑的表面能。

1、等離子體聚合改性

等離子體聚合是一種發(fā)展迅速的對聚合物、金屬和粉體等表面改性的技術(shù)。在炭黑表面改性領(lǐng)域，改性技術(shù)主要表現(xiàn)為在炭黑表面沉積一層薄膜和炭黑在不同等離子體中的表面功能化。

T.MATHEW等以乙炔等離子體處理富勒烯炭黑，炭黑的表面能從70mJ/m2下降至50mJ/m2，因此改性后炭黑/橡膠復(fù)合材料表現(xiàn)出更低的Payne效應(yīng)。S.J.PARK等采用氧等離子體對炭黑進(jìn)行表面改性，能夠使炭黑表面的羰基、酯基和羧基等含氧官能團(tuán)濃度提高，氧/碳元素含量比（O1S/C1S）增加，表面能從42mJ/m2降至19mJ/m2，因此顯著改善炭黑在橡膠中分散，提高炭黑/橡膠復(fù)合材料的撕裂強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度。

2、接枝聚合改性

在炭黑表面接枝聚合物或官能團(tuán)也可降低炭黑的表面能，進(jìn)而改善炭黑在橡膠中分散，提高炭黑補(bǔ)強(qiáng)效應(yīng)。付文等利用濃硝酸對炭黑氧化改性，然后異氰酸酯化處理，最后與聚乙二醇400發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，即采用原位液相接枝技術(shù)成功將聚乙二醇接枝在炭黑表面。

F.CATALDO利用三氧化二氮、一氧化氮和四氧化二氮在炭黑表面引入硝基、亞硝基等。賈德民等利用甲基丙烯酸在炭黑的表面引入雙鍵。以上方法均促進(jìn)炭黑在橡膠中分散，炭黑/橡膠復(fù)合材料的耐磨性能提高，滾動阻力和動態(tài)生熱降低。

3、電子輻照改性

電子輻照技術(shù)是采用高能電子束照射材料，改善材料性能的技術(shù)。Y.P.WU等采用高能電子束輻照炭黑粒子，能夠使炭黑的大顆粒數(shù)量減少，小顆粒炭黑數(shù)量增加，從而使炭黑顆粒尺寸趨向均勻，且能夠增加含氧官能團(tuán)的數(shù)量。

該方法降低炭黑的表面能，促進(jìn)炭黑在橡膠中分散，炭黑/橡膠復(fù)合材料的結(jié)合膠含量、抗?jié)窕阅芎湍湍バ阅芴岣撸瑵L動阻力降低。

4、偶聯(lián)劑改性

偶聯(lián)劑一種分子中同時(shí)含有兩種性質(zhì)官能團(tuán)的化合物，其分子的一端能夠與無機(jī)物反應(yīng)，另一端能夠與有機(jī)物結(jié)合，通過偶聯(lián)劑在填料與橡膠之間構(gòu)建“橋梁”，可促進(jìn)填料分散。P.RAUT等開發(fā)一種新型偶聯(lián)劑聚-丁二烯接枝五氟苯乙烯，其分子中的聚丁二烯單元能夠與橡膠基體發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，五氟苯乙烯單元由于缺電子特性能夠與富電子的炭黑產(chǎn)生π-π相互作用，從而改善炭黑在橡膠基體中分散。

J.J.HAN等發(fā)現(xiàn)乙烯基吡啶（VP）的吡啶官能團(tuán)可與炭黑表面的酸性官能團(tuán)如羧基、羥基等反應(yīng)形成離子鍵和氫鍵，從而增強(qiáng)炭黑與橡膠之間的相互作用，降低炭黑的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和炭黑/橡膠復(fù)合材料的滯后損失。劉權(quán)等和孫阿斌等研究表明常規(guī)硅烷偶聯(lián)劑如γ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH550）和乙烯基三乙氧基硅烷（VTEO）能夠與炭黑表面的官能團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，具有調(diào)節(jié)炭黑/橡膠復(fù)合材料的磨耗與生熱矛盾的潛力。